автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.10, диссертация на тему:Модели и алгоритмы управления тренажной подготовкой курсантов летных специальностей

На правах рукописи

КУАТОВ Бауржан Жолдыбаевич

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕНАЖНОЙ ПОДГОТОВКОЙ КУРСАНТОВ ЛЕТНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

Специальности: 05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах; 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)

11 НОЯ 2015

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005564442

ПЕНЗА 2015

005564442

Официальные оппоненты:

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Юрков Николай Кондратьевич

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Годунов Анатолий Иванович

Сахаров Юрий Серафимович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ В ПО «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники» (г. Москва), заведующий кафедрой персональной электроники;

Квятковский Юрий Григорьевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет» (г. Пенза), доцент кафедры информационных технологий и систем

ФГАОУ ВО «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)» (г. Самара)

Защита диссертации состоится 26 ноября 2015 г. в 13.00 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.04 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и на сайте: http://dissov.pnzgu.ru/ecspertiza/kyatov

Ведущая организация -

Автореферат разослан «_

Ученый секретарь диссертационного совета

2015 г.

Косников Юрий Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблеме обеспечения высокой боевой готовности военно-воздушных сил, их эффективного использования при решении поставленных задач уделяется большое внимание. Развитие мировой авиации сопровождается проявлением ряда факторов, меняющих взгляды на роль и место тренажерных систем в профессиональной подготовке авиационных специалистов, на их применение и облик. В итоге крайне актуальной становится задача оптимизации денежных расходов как в авиационной промышленности, так и в области экономики в целом. Общепризнанным направлением ее решения, в том числе и в мировой практике, является внедрение в систему подготовки и обучения авиационных специалистов высокоэффективных малозатратных тренажерных систем нового поколения. Значимым этапом подготовки летного состава является тренажная подготовка (ТТТ), в процессе которой формируются навыки профессиональной деятельности. В преломлении традиционных и современных принципов организации обучения для системы тренажной подготовки летного состава объектом управления является оператор, а в качестве субъекта управления выступают инструктор и непосредственно система тренажной подготовки.

Вместе с тем современный этап развития авиационной науки характеризуется необходимостью формирования тренажной подготовки как относительно самостоятельного научного направления. Данное обстоятельство обусловлено совокупностью факторов технического, экономического и научного характера.

Теоретической основой исследования являются работы отечественных ученых: В. А. Боднера, А. И. Годунова, В. А. Горячева, А. А. Красов-ского, В. А. Дикарева, Г. Ш. Мееровича, Д. А. Новикова, Д. А. Поспелова, В. В. Сысоева, С. М. Федорова, Н. К. Юркова и других ученых, связанные с проблемами тренажеростроения, развитием теорий конфликтов, теорией и практикой построения процессов автоматизированного обучения.

Современная система тренажной подготовки подвержена собственным конфликтам, возникающим из-за сложившейся специфики ее организации, особенностей функционирования реальной техники и применения технических средств обучения и подготовки (ТСО). Организационно тренажная подготовка регламентируется требованиями курса учебно-летной подготовки. Кроме того, наложение ряда экономических и организационно-технических ограничений не позволяет обеспечить реализацию курса учебно-летной подготовки курсантами летных специальностей на штатной технике в полном объеме, что приводит к обострению конфликта применения летательного аппарата (ЛА). Однако из-за ограниченной адекватности тренажеров по отношению к штатной технике возникает конфликт их применения, заключающийся в противоречии между оценками уровней навыков, получаемых летным составом (JIC) при отработке единых учебных упраж-

нений на тренажерах и штатной технике, что приводит к формированию некорректных содержательных компонентов учебных планов, отражающих количество тренировок на средствах тренажа.

В существующем виде представления курсов учебно-летной подготовки слабо отражают широкий спектр индивидуальных особенностей летного состава, что не позволяет обеспечить дифференцированный подход к обучению. Разрешение этой проблемы вполне возможно за счет применения современных методологических основ управления тренажной подготовкой. Развитие и преломление применительно к тренажной подготовке научных основ теории конфликта, дает возможность осуществлять адаптацию к уровню подготовки летного состава не только учебных упражнений и планов, но и типовых ситуаций на средствах тренажа. Несомненно, автоматизация тренажной подготовки позволит повысить оперативность индивидуальной корректировки учебного процесса, снизить экономические затраты и уменьшить субъективные ошибки, свойственные инструкторам, что в современных условиях является актуальной задачей.

Объектом исследования является тренажная подготовка курсантов летных специальностей, понимаемая как способность к выявлению полезных содержательных компонентов учебных упражнений и учебных планов, определяемых курсом учебно-летной подготовки. Предметом исследования выступают модели и алгоритмы управления тренажной подготовкой, которые обеспечат выполнение разнообразных переходов от одних условий функционирования к другим с учетом ограниченной адекватности тренажеров.

Цель диссертационной работы - исследование системных связей и закономерностей функционирования тренажной подготовки и разработка моделей и алгоритмов построения вариативной (конфликтно-устойчивой) системы управления тренажной подготовкой курсантов летных специальностей.

Для достижения поставленной цели необходимо решить комплекс взаимосвязанных задач:

— разработать системную модель организации тренажной подготовки и классификацию конфликтов тренажной подготовки;

— разработать формализованную модель формирования навыков у курсантов в процессе тренажной подготовки;

— определить критерии оценки адекватности имитационного моделирования, позволяющие в зависимости от испытаний тренажеров и штатной техники выявить меру конфликта применения тренажеров;

— разработать алгоритмы формирования содержательного компонента учебных планов, защищенного от конфликта применения тренажеров, существующего из-за их ограниченной адекватности;

— разработать модели и алгоритмы планирования тренажной подготовки;

-разработать структуру вариативной (конфликтно-устойчивой) системы управления тренажной подготовкой.

Методы исследования. Теоретико-методологической основой исследования явились методы теории системного и математического анализов; имитационного и компьютерного моделирования; теории автоматического управления и принятия решений; теории вероятности и математической статистики; теории поэтапного формирования умственных действий и понятий.

Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:

— разработана системная модель организации тренажной подготовки летного состава, отличающаяся тем, что в ней учитывается конфликт применения реальных объектов и тренажеров (специальность 05.13.10);

-предложена методика оценки адекватности имитационного моделирования в тренажерах, характерной особенностью которой является то, что осуществляется не только проверка выполнения норм годности тренажеров, но и вероятностная оценка степени адекватности имитационного моделирования, являющаяся индикатором конфликта применения тренажеров и использующаяся для прогноза правильных и ложных навыков (специальность 05.13.01);

— разработан алгоритм формирования содержательного компонента учебных упражнений, отличающийся от известных тем, что в нем используются показатели взаимного влияния операций, по которым при возникновении конфликта осуществляются выбраковка конфликтных и выбор рациональных операций из допустимого множества функциональных действий летного состава (специальность 05.13.10);

— разработаны модели и алгоритмы планирования тренажной подготовки, в которых наряду с прогнозом правильных навыков осуществляется прогноз ложных навыков, являющихся следствием наличия конфликта применения тренажеров, на основании чего определяются минимальные нормы тренировок, обеспечивающие устранение ложных навыков (специальность 05.13.10);

— предложена структура вариативной системы управления тренажной подготовкой курсантов летных специальностей, в которой учтены предложения по устранению конфликта применения летательных аппаратов и тренажеров (специальность 05.13.01).

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность научных выводов диссертации обеспечивается внутренней непротиворечивостью результатов исследования и их соответствием теоретическим положениям теории тренажеростроения, системного анализа и практической реализацией, а обоснованность результатов основывается на согласованности данных эксперимента и научных выводов.

Практическая значимость работы заключается в создании моделей и алгоритмов, предназначенных для разработки структурных схем, а также

математического и алгоритмического обеспечения подсистем, входящих в состав вариативной (конфликтно-устойчивой) системы управления тре-нажной подготовкой; во внедрении результатов научных исследований в практику работы учебных заведений авиационного профиля.

Реализация и внедрение результатов работы. Полученные результаты использованы при выполнении комплекса работ по разработке технических средств обеспечения тренажной подготовки курсантов летных специальностей в период теоретического и практического обучения.

На защиту выносятся:

1) системная модель организации тренажной подготовки "и классификация конфликтов для ее предметно-ориентированного уровня (специальность 05.13.10);

2) методика оценки адекватности тренажеров, метод оценки вероятности £-адекватности результатов имитационного моделирования по обобщенному критерию Фишера (специальность 05.13.01);

3) модели и алгоритмы планирования тренажной подготовки (специальность 05.13.10);

4) структура вариативной (конфликтно-устойчивой) системы управления тренажной подготовкой летного состава в системе профессиональной подготовки авиационных специалистов (специальность 05.13.01).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII научно-методической конференции «Военное образование и наука: совершенствование профессиональных качеств офицера» (Военный институт сил воздушной обороны, г. Актобе, Казахстан, 2014); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пензенский государственный университет, г. Пенза, 2014, 2015); XXXI Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах — 2015» (Пензенский государственный университет, г. Пенза, 2015).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 21 статье, в том числе в четырех ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 54 источника и одного приложения. Объем работы составляет 150 страниц основного текста, включающего 4 таблицы и 26 рисунков.

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, диссертантом внесен основной вклад, касающийся формулировки общих вопросов, частных задач, методик исследований, выводов по полученным расчетным соотношениям и анализу результатов, составляющих 70 % от всей части проведенного исследования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении рассмотрено современное состояние проблемы и актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования. Приведено краткое изложение содержания и основные результаты диссертационной работы, а также положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ предметной области исследований и научно-методических основ тренажной подготовки летного состава. Совокупность факторов технического, экономического и научного характера обусловило формирование тренажной подготовки как относительно самостоятельного научного направления, отвечающего интеллектуальному уровню развития современных технических средств подготовки и обучения авиационных специалистов.

Современная система тренажной подготовки подвержена собственным конфликтам, возникающим из-за сложившейся специфики ее органи-. зации, особешюстей функционирования реальной техники и применения технических средств тренажа. Определено понятие «конфликт» в тренажной подготовке операторов, выраженный в наличии противоречия (конфликта) между оценками уровней навыков и м> операторов, определенными на конкретном тренажере и штатной технике.

Конфликт является не чем иным, как попыткой преобразовать потребности реализации деятельности одной системы в возможности реализации другой.

Анализ требований курса учебно-летной подготовки показал, что тренажная подготовка регламентируется жесткой структурой, включающей периоды обучения, учебные задачи, варианты упражнений и сами упражнения, а также нормативы обучения. Курсанты в ходе тренажной подготовки выполняют упражнения, качество со^ которых оценивается субъективно по показателям времени Г и ошибочности их выполнения а соответствии с нормативами В связи с ограниченным бюджетом времени независимо от достигнутого операторами уровня юр навыков нередко происходит переход на отработку новых упражнений. Существующие принципы организации тренажной подготовки не позволяют дифференцированно производить как выбор средств обеспечения, так и программ и планов ее организации с учетом индивидуально-профессиональных особенностей, что может приводить либо к необоснованным затратам, либо к некачественному выполнению целевых установок.

В работе предложена системная модель организации тренажной подготовки авиационных специалистов, которую можно представить в виде трех взаимосвязанных уровней: функционально-ориентированного предметно-ориентированного и проблемно-ориентированного.

Обобщая условия выполнения тренажной подготовки авиационных специалистов и степень влияния на нее перечисленных факторов и су-

шествующих проблем, следует отметить высокую стоимость такого вида подготовки, большие сложности в ее организации. Поэтому первоначально необходимо определить структуру и форму количественной оценки сопутствующих признаков конфликта применения штатной техники с точки зрения организации тренажной подготовки. С учетом этого, а также в соответствии с системной моделью тренажной подготовки, под сопутствующими признаками конфликта применения штатной техники далее будем понимать конфликты организации тренажной подготовки, характерные для ее предметно-ориентированного уровня.

С использованием основ теории конфликтов для предметно-ориентированного уровня системной модели организации тренажной подготовки было проанализировано множество, образованное на элементах сравниваемых систем

5 = {55 =(Та,Оа,Га),Л2 = (Тс,Оа,Уа),Бъ = {Та,Ос,Уа), 54 = (Та,Оа,Ус), 55 =(Гс,Ос,Га),56=(Га,Ос,ГД57 =(Гс,Оа,КД 58 = (Тс,Ос,Ус)},

где Тс и Та - требования к упражнениям ТП; Ос и Оа - учебный процесс; Ус и Уа — аттестация уровня обученности.

Декомпозиция множества (1) позволила определить классификацию возможных конфликтов в системе организации тренажной подготовки летного состава. Необходимо отметить, что представленная формализованная классификация возможных конфликтов организации тренажной подготовки является следствием ряда прикладных проблем, характеризующих ее проблемно-ориентированный уровень. Решение этих проблем способствует разрешению рассмотренных конфликтов.

Наряду с несомненными достоинствами применения тренажеров по отношению к штатной технике, для них присущ один из недостатков, выраженный в наличии конфликта между оценками обученности операторов на тренажерах и штатной технике: Кт < Кшт КшгШКт = ЭТ(ЛТ), где Кшт и Кт — оценки обученности, определенные на штатной технике и тренажере.

Суть конфликта ЭТ(АГ) состоит в несоответствии оценки уровня навыков, приобретаемых на тренажерах по отношению к оценке уровня аналогичных навыков, приобретаемых на штатной технике. Поэтому конфликт трансформируется в конфликт определения количества тренировок N при планировании тренажной подготовки на штатной технике, так как Nт<Níш,тo =>

Следовательно, между системами обучения существует конфликт ЩО), так как Р(Т,От,У) < Р(Т,Ошт,У).

Таким образом, если для систем тренажной подготовки Sj = £т и Бк=Бшт, когда Г = Гт = и У = УТ = Ушт, то это означает, что между этими системами существует конфликт, а именно конфликт обучения

О ЗЮщ,.. Одними из сопутствующих признаков этого конфликта являются конфликт оценки уровня обученности операторов и конфликт планирования тренажной подготовки, которые вызваны ограниченной адекватностью тренажеров.

Во второй главе предложена методика оценки адекватности имитационного моделирования в тренажеростроении.

Предложен механизм формирования навыков. Модель множества навыков по применению ЛА и его систем в типовой ситуации П3п можно представить в виде следующего кортежа:

Як = {8кр} =<Е/(ДД),Ч»а/3,Ч?и/ Ч'а.ЧЪ ЕГ/Чо >,

где Е/(£>,Д) = ЩрКВруАр)} ~ множество вариантов информационно-управляющего поля, отражающее стандартные операции О и типовые условия А применения ЛА и его систем; = /Зр} - множество сенсорных перцептивных образов, соответствующее 3; Чу/Ч'з ={¥ир1х¥^ -

множество интеллектуальных перцептивных образов, соответствующее Ч'д /= {Ч-'ор ~ множество моторных перцептивных образов,

соответствующее Ч^; В"/Ч'0 = {Ор/х¥5р} - множество операций применения ЛА и его систем, реализуемое в соответствии с моторными Чр образами.

Современная система тренажной подготовки авиационных специалистов подвержена конфликтам, которые являются объективной действительностью и вызваны ограниченной адекватностью тренажеров.

Использование в тренажеростроении имитационных моделей с ограниченной адекватностью является одной из основных причин возникновения неадекватности применения тренажеров, заключающейся в некорректном определении содержательного компонента учебных планов тренажной подготовки, т.е. количества тренировок на средствах тренажа. Вследствие ограниченной адекватности тренажеров наблюдаются взаимозависимые события: происходит приобретение операторами неверных навыков по эффективным способам и тактическим приемам применения ЛА и его систем; осуществляется искаженное оценивание отрабатываемых курсантами учебных упражнений.

Искаженное оценивание отрабатываемых учебных упражнений происходит из-за существующего несоответствия между оценками обученности летного состава на тренажерах и на ЛА по единым упражнениям.

Применительно к тренажной подготовке сознательное многократное повторение одних и тех же движений или решение типовых задач осуществляется в процессе тренировок на средствах тренажа. Однако также известно, что действия можно классифицировать как правильные (положительные) и неправильные (отрицательные, ошибочные). При этом под

положительными и отрицательными действиями понимают такие действия операторов, которые обеспечивают, соответственно, положительный (повышение функции полезности) и отрицательный (снижение функции полезности) эффект применения технических средств. Предложена обобщенная классификация возможных навыков, приобретаемых операторами на средствах тренажа в процессе тренажной подготовки. Приведенная обобщенная классификация навыков по своей сути образует полную группу событий. Ввод такой обобщенной классификации навыков позволил конкретизировать факторы существования ЭТ(^Г): несоответствие групповых и индивидуально-психологических качеств обучаемых; несовершенство методик проведения тренажей; субъективные ошибки инструкторов; неадекватность тренажерных средств по отношению.к штатной технике.

Первые три фактора присущи как для тренажеров, так и для штатной техники. В силу их однородности происхождения при оценке уровня навыков они могут быть скомпенсированы (они не влияют на расхождение оценок навыков, приобретаемых на тренажерах и реальной технике при выполнении условия их идентичности). Последний фактор, проявляется только на тренажерах и не может быть скомпенсирован как три первые.

Здесь необходимо отметить, что ложные и пропущенные правильные £> навыки являются объективной реальностью независимо от отсутствия возможности их наблюдаемости и являются следствием ограниченной адекватности тренажеров.

Доказано, что существующая понятийная база по оценке адекватности тренажеров не позволяет ее представить в виде индикатора сопутствующего признака неадекватности применения тренажеров, поэтому необходимо определение ее количественной формы, которая позволила бы устранить несоответствие оценок обученности.

Для оценки качества имитируемой модели по энтропийному значению вариации ее переменных введем понятие показателя качества модели по переменной:

где Аф,Л,м - ширина энтропийного интервала переменной / реального

процесса и модели, определенного относительно равномерного закона распределения вероятностей соответственно. В наиболее благоприятном случае у, = 1.

Очевидно, что в данной ситуации адекватность имитационной модели объекту (действительности) может быть оценена только путем сравнения совокупностей входных-выходных сигналов объекта и модели. Расстояние, по которому оценивается идентичность имитационной модели и объекта, должно определяться по данным входных и выходных сигналов. Обычно оценка адекватности результатов имитационного моделирования

объекта сводится к определению рассогласования (невязки) между выходными сигналами объекта W(x) и его модели. Таким образом, под адекватностью результатов имитационного моделирования реального объекта следует понимать метрическую меру близости между выходными сигналами объекта и соответствующими им выходными сигналами модели:

e(x)=\W(x)-WH(x)\,

где W(x) = {Wi(x)}n и fV„(x) = {Wui(x)}„ - отклики объекта и имитационной модели (получены в ходе / -го физического и имитационного экспериментов, /' = 1,2,..., и).

Условие адекватности примем в следующем виде:

\W(x)-W„(x)\<z\W(x)), (2)

где z(W(x)) - требуемая точность имитационной модели объекта может выбираться по тактико-техническим соображениям.

При выполнении условия (2) считается, что математическая модель

адекватна объекту с точностью c'(lV(x)). Математически задача оценки адекватности имитационной модели действительности формулируется как задача оценки вероятности того, что значение отклика исследуемого параметра WM(x) модели отличается от реального отклика W(x) объекта на

заданную величину e'(fV(x)). Уточнено понятие адекватности тренажеров и сформулирована задача по ее оценке, заключающаяся в определении вероятности у выполнения норм годности тренажеров, являющейся индикатором конфликта применения тренажеров. С учетом этого введено такое понятие, как «вероятность адекватности имитационной модели объекту»: вероятностью адекватности у(^(х)) модели объекту называется вероятность Р выполнения того, что

у(JV(x)) = />[| Щх) - WM (х) [< z'QV(x))].

Оценка адекватности у характеризует вероятность того, что оператор не будет чувствителен к различию между Н(х) и Ет(х). Это не приводит к выполнению на тренажере действий, отличных от действий на штатной технике, которые для нее являются правильными. Другими словами, величина у определяет потенциальный уровень положительных С навыков, приобретаемых летным составом на тренажере.

Необходимо отметить, что выходные информационные параметры H (х) информационной системы штатной техники представляют собой N-ю совокупность j-x откликов Wj(x) (J = Ï777), которые определенным образом связаны между собой через функционал H(.t) = F(ff\(х), W2{x),..., Щ(х),..., WN(x)).

Поэтому для оценки адекватности имитационного моделирования в тренажере, с учетом взаимосвязей откликов информационной системы, необходимо производить оценку адекватности каждого отклика. Как правило, при ограниченном числе экспериментальных данных для оценки адекватности имитационного моделирования пользуются аппаратом статистики. А оценка адекватности результатов моделирования сводится к тому, можно ли считать, что полученные значительные отклонения (е, > е*) объясняются случайными причинами или наличие этих отклонений должно быть призвано существенным и в конечном счете привести к отказу от проверяемой модели. Для решения этого вопроса на основе выборки случайных величин {£,(*)}„ по статистическим критериям проводится сравнение по соответствующим характеристикам теоретических распределений случайных величин.

Предложен метод оценки вероятности Е-адекватности результатов имитационного моделирования в тренажеростроении по обобщенному критерий Фишера, который позволяет получить уточненное значение вероятности у. Так как вероятностная оценка степени адекватности имитационного моделирования в тренажерах является индикатором сопутствующего признака конфликта их применения, то представленный метод позволяет по обобщенному критерию Фишера определять с заданной точностью его показания при рациональном использовании средств испытания и сертификации тренажеров за счет последовательного уточнения требуемого количества экспериментальных данных.

Рассмотрены предподчительные модели в тренажеростроении. С точки зрения безопасности полетов обучаемого после прохождения им тренажерного курса, предпочтительными целесообразно считать тренажеры менее «инерционные», чем ЛА. У таких тренажеров по всему множеству имитируемых реакций систем, от которых зависит динамика полета,

ей, с1к _,, .

—'- >—, 5Л/ > О,

^¡ЛТ ^/0А

где каждый параметр полета А, определяется состоянием одной определенной системы ЛА и для изменения ^ требуется управляющее действие летчика щ. Такие тренажеры прививают навыки «мягкого» управления с «недобором» выбираемого параметра. Подобный стиль психологически легче корректируется в реальных условиях, чем стиль «резкого» управления с «перебором».

Одним из наиболее важных показателей эффективности тренажеров в процессе обучения летного состава следует считать их принципиальную способность формировать у обучаемых до автоматизма запоминаемый комплекс навыков и стиля пилотирования, обеспечивающий максимум безопасности полетов при одновременном минимуме отличий от навыков и стиля, обретаемых при обучении на ЛА. Это свойство может быть оце-

нено количественно, если воспользоваться техническими характеристиками имитаторов движения ЛА.

В третьей главе разработаны модели и алгоритмы тренажной подготовки.

Уровень обученности летного состава, приобретаемый им во время тренировок (тренажей), зависит от начального уровня обученности; от доли навыков, приобретаемых за одну тренировку; от количества проведенных тренировок. Под уровнем обученности курсанта принято понимать усредненную оценку выполнения им всех элементов конкретной задачи (учебного упражнения). Курсант, приступивший к обучению, имеет определенный начальный уровень обученности о)0 • Курсанты обладают различной степенью восприятия практических навыков. Однако существует такой минимально необходимый уровень восприятия, при котором курсант за отведенные нормы тренировок по применению штатной техники достигает, требуемого уровня. Обозначим через ^ = £т!п минимальную долю навыков, которые усваиваются курсантами за очередной тренаж на реальной технике от общего объема навыков. С учетом вышеизложенного, получим:

Можно получить формулу для определения числа тренировок на реальной технике, проведение которых позволит достичь заданного уровня подготовленности со^:

1п(1-ю^)-1п(1-(Оо)

Из формулы вытекает, что при —> 1, =>, N —> ао.

Действительно, если необходимо подготовить специалиста, то нужны постоянные, непрекращающиеся тренировки. Чем выше уровень навыков, тем медленнее происходит прирост их объема. Каждая новая единица навыков обходится дороже предыдущей.

Вероятностные оценки обученности определяются с ошибкой неопределенности и не позволяют достаточно точно определить динамику роста навыков от числа занятий и, следовательно, производить корректировку процесса обучения.

При этом доля навыков которые усваиваются операторами за очередной тренаж на штатной технике, от общего объема навыков, которые подлежат усвоению на данном и последующих занятиях, может быть определена по моменту перехода от предыдущего /-1 к последующему / -му уровню обученности за Ап = л, - тренажей, а именно:

1п(1 -со,)- 1п(1 - С0,_1)

Если ^о < \ = то, следовательно, необходимо производить корректировку процесса обучения оператора.

Известно, что с помощью любого тренажера может быть достигнут лишь вполне определенный максимально возможный уровень подготовленности. Он ограничивается адекватностью имитационного моделирования к процессам, происходящим во время применения ЛА и его систем. Величина у вероятности адекватности тренажера определяет потенциальный уровень положительных навыков, приобретаемых летным составом на тренажерах. Очевидным является, что для штатной техники у = 1. Вероятностный показатель уровня приобретения положительных навыков С (обученности) ЛС определяется как сос = усо, где со — оценка уровня навыков, определяемая из анализа действий ЛС

Нс , А', со = —— = 1---.

N N . ■

Здесь и ЛГе - соответственно, количество правильных и ошибочных действий, Аг- общее количество действий.

Истинные оценки уровня других навыков, приобретаемых на тренажере, определяются как:

сог =у(1-ю); ар =(1-у)со; со0 = (1 - у)(1 - со), где фе, шр н <й0 - оценки, соответственно, уровней навыков: отрицательных Е, ложных ^ и пропущенных положительных О.

Представленные оценки уровней навыков составляют полную группу событий, так как юс + соя + фр + со0 = 1. С учетом начального уровня со0 подготовки и доли навыков, приобретаемых на тренажере за п тренировок, определены соотношения:

(Ос (и) = У - (У - ®о)(1 - is)"; ® я (и) = (У - ®0 )(1 - ^)"; (и) = у -7(1 - )"; Юо(и) = У(1 - ^)".

где у = 1 — у — вероятность неадекватности тренажера.

На рисунке 1 кривой со*% (пунктирная кривая) соответствует типовой график усвоения навыков (в процентах) от числа тренировок п, а кривой сос (сплошная кривая) — данные, полученные при ее аппроксимации при ш0 =0, ^ =0,5, у = 0,71.

На основании этого можно констатировать следующее: так как величина у определяет потенциальный уровень правильных навыков, приобретаемых оператором на тренажере, а величина 1-у определяет потенциальный уровень неправильных навыков, наличие которых свидетельствует о существование неадекватности применения тренажеров, то последняя может быть использована в качестве индикатора сопутствующего признака неадекватности применения тренажеров.

На рисунке 2 для исходных значений со0=0,25, =0,09, у = 0,8 представлены графические зависимости оценок уровней навыков, приобретаемых на тренажерах за п тренировок.

Ш1% 100

ыЧ

ч я

У

<Г....."

/

/

/

Рисунок 1 - Усвоение навыков от числа тренировок

Рисунок 2 - Оценка уровня навыков, приобретенных на тренажерах

С учетом этого имеем, что после цикла занятий на тренажерах доля навыков !;, усваиваемая за очередную тренировку на штатной технике, будет направлена на приобретение новых, ранее неизвестных, и восстановление старых, ранее приобретенных, но забытых или пропущенных навыков (так как существуют Е и £>), а также на ликвидацию ложных навыков К

В процессе тренажной подготовки курсантов летных специальностей наряду с тренажерами 5 = {55,5/,5м} = {5'у} необходимо использовать и штатную технику С, т.е. летательный аппарат. Здесь - специализированный тренажер; - комплексный тренажер; - тренажный режим ЛА. Это вызвано ограничением адекватности тренажеров 5, приводящим к привитию курсантам как полезных, так и вредных навыков. С учетом этого возможны различные варианты применения тренажерных средств из множества Q = S^uG = {Ss,>57,5М,(7}

Однако использование тренажерных средств Qj е 0 ограничено не только их адекватностью у у, но и общими затратами, отводимыми на тренаж нуго подготовку. Получено выражение для доли навыков, приобретаемых за одну тренировку на штатной технике после п тренировок на тренажере:

1--

шс(л),

где — доля навыков, определенная на штатной технике.

В интересах достижения заданного уровня подготовки можно определить корректное количество N тренировок на штатной технике после п тренировок на тренажере, где помимо правильных навыков приобретаются ложные навыки:

,у(„)= 1п(1-Юа)-1п(1-сос(я))

1п

(Ор(п) &с(п))

Это явилось основой для разработки метода формирования конфликтно-устойчивых учебных планов, который базируется на минимизации к

затрат на ТП 2 = £ , где к - количество тренажерных средств;

7=1

2а - средняя стоимость одной тренировки на штатной технике; Nj и я7 -

соответственно, количество тренировок и отношение средней стоимости одной тренировки на j-м тренажерном средстве. В соответствии с этим получено соотношение, определяющее переходные уровни правильных навыков с менее адекватных на более адекватные тренажерные средства с учетом ложных навыков:

а j+\1j 1п 1-So j Л л ®су- ij, -а/O+iln s V ( ^^ { acj)j

mCj- ау+11п / 1-Soj V / \ 1 FJ'X l «cy-lj \ — ciylri / / j+l \ f \\ l °CjJ J

Получены аналитические выражения для определения, соответственно, уровня и доли правильных навыков С, приобретаемых за одну тренировку на 7-м тренажерном средстве. На основании этих выражений предложен итерационный метод адаптации учебных планов тренажной подготовки. Разработан алгоритм определения оптимального количества тренировок для любого варианта тренажной подготовки на каждой тренажерной системе Qj.

В разработанном нами алгоритме при заданном начальном уровне обученности для нахождения оптимального числа тренировок на средствах тренажа необходимо знать вероятность их адекватности, их экономическую эффективность по отношению к штатной технике и долю навыков, усваиваемых на них за одно занятие. Таким образом, разработан метод и алгоритмическое обеспечение для адаптивного формирования содержательного компонента учебных планов, в которых наряду с прогнозом правильных навыков осуществляется прогноз ложных навыков, являющихся следствием наличия неадекватности применения тренажеров, на основании чего определяются минимальные нормы тренировок, обеспечивающие устранение ложных навыков.

В целях повышения оперативности планирования тренажной подготовки, заключающейся в гибкой адаптации учебных планов с учетом индивидуальных особенностей обучаемых, предложена модель системы планирования тренажной подготовки.

Основными элементами системы планирования тренажной подготовки являются: алгоритмическое обеспечение, выполненное на основе разработанного метода; оценка ограничений в использовании ТСО; оценка начального уровня и доли навыков, приобретаемых за одно занятие на

конкретном тренажерном средстве; оценка экономической эффективности тренажерных средств по отношению к штатной технике; оценка адекватности тренажерных средств по отношению к ЛА.

Алгоритмическое обеспечение, минимизировав общие затраты на проведение тренажной подготовки с учетом возможных ограничений на использование тренажерных средств, вполне позволяет производить корректное планирование как для различных ее вариантов, так и при внедрении в ее структуру дополнительных тренажерных средств.

Система планирования тренажной подготовки позволяет осуществить для конкретного курсанта выбор рационального варианта тренажерных средств и количество тренировок с учетом его личностных показателей, а именно: начального уровня обученности и скорости приобретения навыков. Все это позволяет сформировывать дифференцированные учебные планы, способствует в процессе планирования мероприятий с применением штатной техники повышению оперативности, обоснованности и качества организации подготовки летного состава.

В четвертой главе даны рекомендации по созданию системы управления тренажной подготовкой курсантов летных специальностей на основе предложенной структурно-параметрической модели конфликтно-устойчивой системы тренажной подготовки летного состава.

На основании предложенной методологии создания тренажной подготовки летного состава, устойчивой к конфликтам применения военных ЛА и тренажеров, определены практические рекомендации к архитектуре построения вариативной (конфликтно-устойчивой) системы управления тренажной подготовкой. Реализация представленного инструментария, позволяющего формировать у летного состава адекватные навыки по боевому применению ЛА и его систем, возможна на базе создания вариативной системы управления тренажной подготовкой (рисунок 3). Вариативная система управления тренажной подготовкой содержит системы (5), а именно: - систему средств формирования адаптивных курсов тренажной подготовки; 52 - систему технических средств подготовки и обучения; 53 - систему контроля операторской деятельности.

В реализуются разработанные модели и алгоритмы формирования содержательного компонента учебных упражнений, отличающегося от известных тем, что в нем используются показатели взаимной ориентации и взаимного влияния операций, по которым при возникновении конфликта применения штатной техники осуществляется выбраковка конфликтных и выбор рациональных операций, сгенерированных из допустимого множества функциональных действий ЛС. Это позволит производить выбор предписанных конфликтно-устойчивых операций в соответствии с условиями функционирования штатной техники.

Рисунок 3 — Структура подсистем в системе управления тренажной подготовкой летного состава: — система средств формирования адаптивных курсов тренажной подготовки; 5г — система технических средств подготовки и обучения; 5з - система средств объективного контроля качества операторской деятельности; 5ц — система средств определения содержательных компонентов учебных упражнений, защищенных от конфликта применения ЛА из-за изменения условий их функционирования; ■^12 - система средств определения содержательных компонентов учебных планов, защищенных от конфликта применения тренажеров из-за их ограниченной адекватности; 55л - процедурные тренажеры; 55в — специализированные тренажеры;

55с - комплексные тренажеры; 55о — тренажные режимы ЛА;

СКОД-1 - система контроля и оценки операторской деятельности на тренажерах; СКОД-2 - система контроля и оценки операторской деятельности на штатной технике

Здесь вполне применим разработанный метод формирования содержательного компонента учебных планов, в котором наряду с прогнозом правильных навыков осуществляется прогноз ложных навыков, являющихся следствием наличия конфликта применения тренажеров, на основании чего определяются минимальные нормы тренировок, обеспечивающие устранение ложных навыков.

Система технических средств подготовки и обучения 52 представляет собой множество, состоящее из совокупности различных тренажеров и включающее в свой состав штатную технику (реальный объект). В качестве основы подобной системы использованы процедурные тренажеры; специализированные тренажеры; комплексные тренажеры; тренажные режимы ЛА, а также системы компьютерного обучения. Тренажеры должны иметь унифицированную модульную архитектуру построения и возможность адаптации к требуемым учебно-тренировочным задачам тренажной подготовки.

Система контроля операторской деятельности 53 предназначена для обеспечения оперативной и объективной оценки уровня навыков операторов, приобретаемых на технических средствах тренажа, и включать:

систему оперативного объективного контроля подготовленности летного состава на тренажерах; систему оперативного объективного контроля подготовленности летного состава на штатной технике.

Как следует из структурной конфигурации вариативной системы управления тренажной подготовкой, разработанная методология по созданию конфликтно-устойчивой системы управления тренажной подготовкой является вполне структурированной и имеет логическую обоснованность и завершенность.

Изложенный подход использован в Военном институте Сил воздушной обороны Республики Казахстан им. Т. Я. Бегельдинова при разработке программно-методического комплекса управления тренажной подготовкой курсантов в период теоретического и практического летного обучения курсантов. Внедрение полученных результатов научных исследований позволило сократить сроки теоретического обучения и выполнение вывозных полетов на штатной технике на 10%, в результате чего были оптимизированы финансовые затраты и повышена оперативность, обоснованность и качество организации учебно-летной подготовки курсантов.

В заключении сформулированы основные теоретические и практические результаты работы.

В приложении представлены документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Системный анализ особенностей подготовки летного состава с использованием тренажеров позволил выявить существующие в настоящее время основные проблемные задачи, одной из которых является совершенствование подсистемы управления процессом освоения и объективного оценивания уровня подготовки на тренажерах. Важнейшим условием эффективного применения тренажной подготовки является наличие методического и дидактического обеспечения. Совокупность факторов технического, экономического и научного характера обусловило формирование тренажной подготовки как относительно самостоятельного научного направления. Тренажная подготовка должна соответствовать уровню развития современных технических средств подготовки и обучения авиационных специалистов, отвечающего интеллектуальному уровню развития современных тренажерных технологий.

2. Анализ научно-методических основ тренажной подготовки летного состава показал, что современная система тренажной подготовки подвержена собственным конфликтам, возникающим из-за сложившейся специфики ее организации, особенностей функционирования реальной техники и применения средств тренажа. Определено понятие «конфликт» в тренажной подготовке операторов, выраженный в наличии противоречия (конфликта) между оценками уровней навыков и>5 и и» операторов, определенными на конкретном тренажере и штатной технике.

3. Предложена системная модель организации тренажерной подготовки и проведена классификация конфликтов для ее предметно-ориентированного уровня.

4. Разработана формализованная модель формирования навыков у курсантов в процессе тренажной подготовки.

5. Теоретически обоснован и практически решен ряд задач, связанных с оценкой адекватности моделирования в тренажеростроении. Обоснована необходимость в получении обобщенной оценки, по которой можно было бы судить о соответствии характеристик тренажера ЛА. Количественную оценку адекватности результатов имитационного моделирования в тренажерах рекомендуется производить в вероятностно-метрической форме. Определено понятие адекватности тренажеров, сформулирована постановка задачи по количественной оценке адекватности имитационного моделирования в тренажерах.

6. На основании анализа причин привития отрицательных навыков как на ЛА, так и на тренажерах, в формализованном виде определено влияние неадекватности тренажеров на привитие операторам ложных навыков, наличие которых свидетельствует о существовании неадекватности применения тренажеров. Предложено меру неадекватности тренажеров использовать в качестве индикатора сопутствующего признака неадекватности их применения.

7. Разработан алгоритм формирования содержательного компонента учебных упражнений, в котором используются показатели взаимного влияния операций, по которым при возникновении конфликта осуществляется выбраковка конфликтных и выбор рациональных операций из допустимого множества функциональных действий летного состава.

8. Разработаны модель и алгоритмы планирования тренажной подготовки, в котором наряду с прогнозом правильных навыков осуществляется прогноз ложных навыков, являющихся следствием наличия конфликта применения тренажеров, на основании чего определяются минимальные нормы тренировок, обеспечивающие устранение ложных навыков.

9. На основании анализа возможных вариантов тренажной подготовки разработана модель системы планирования тренажной подготовки и выработаны рекомендации по ее применению, которые обеспечат оперативность, обоснованность и качество организации подготовки летного состава. Определены практические рекомендации к структурной конфигурации построения вариативной (конфликтно-устойчивой) системы управления тренажной подготовкой летного состава.

10. Результаты научных исследований использованы в Военном институте Сил воздушной обороны Республики Казахстан им. Т. Я. Бе-гельдинова при разработке программно-методического комплекса управления тренажной подготовкой курсантов. Внедрение программно-методического комплекса планирования тренажной подготовки в учебный процесс

позволило сократить теоретическое обучение на 150 ч путем планирования и проведения профилирующих дисциплин «Руководство по летной эксплуатации» и «Конструкция и летная эксплуатация ЛА» в период тренаж-ной подготовки; выполнение вывозных полетов на штатной технике на 10 % (до 15 дополнительных полетов) перед началом летной практики на каждом курсе из-за конкретного выбора рационального варианта и количество тренировок с учетом личностных показателей курсанта, а именно: начального уровня обученное™ и скорости приобретения навыков.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Куатов, Б. Ж. Оценка свойств живучести, надежности и безопасности простейших топологических структур / Н. Ж. Мусин, А. И. Годунов, Б. Ж. Куатов, Н. К. Юрков, Е. С. Каракулов // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс : периодическое научное издание. Спецвыпуск. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. ун-та, 2012.-Вып. 1.-С. 118-124.

2. Куатов, Б. Ж. К проблеме структурного синтеза моделирующей среды авиационного тренажера / Е. С. Каракулов, Н. Ж. Мусин, Б. Ж. Куатов, Н. К. Юрков // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. Сер. Технические науки. Спецвыпуск. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. технол. ун-та, 2014. - Вып. 3. - С. 16-24.

3. Куатов, Б. Ж. Концептуальная модель формирования летных навыков в процессе тренажерной подготовки / А. И. Годунов, Б. Ж. Куатов, Н. К. Юрков, С. Ж. Курта-ев // Вестник СГАУ. - 2014. -№ 3 (19). - С. 7-15.

4. Куатов, Б. Ж. Влияние адекватности тренажеров на оценку уровня навыков операторов /Б. Ж. Куатов, С. Ж. КуртаевНВестник СГАУ.-2015.-Л» 3 (19).-С. 39-44.

Публикации в других изданиях

5. Куатов, Б. Ж. Моделирование технических средств обучения авиационных специалистов : учеб. пособие / Б. К. Кемалов, Б. Ж. Куатов. - Актобе : Военный институт СВО, 2013. - 113 с.

6. Куатов, Б. Ж. Структура моделирующей среды и программного обеспечения технических средств подготовки и обучения авиационных специалистов / Б. Ж. Куатов // Надежность и качество - 2014: тр. Междунар. симп. : в 2 т. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2014.-Т. 1.-С. 271-275.

7. Куатов, Б. Ж. Оценка качества имитируемой модели в технических средствах подготовки и обучения авиационных специалистов / А. И. Годунов, В. И. Мандриков, Б. Ж Куатов // Надежность и качество - 2014 : тр. Междунар. симп. : в 2 т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2014.-Т. 1.-С.296-300.

8. Куатов, Б. Ж. Инженерно-психологические основы моделирования в авиационных тренажерах / Б. Ж. Куатов, А. И. Годунов // Военное образование и наука: совершенствование профессиональных качеств офицера: тр. VIII науч.-метод. конф. -Актобе : Военный институт СВО, 2014. - С. 181-188.

9. Куатов, Б. Ж. Ушу курамын дайындау жуйесшдеп тренажерд! колданудагы сэйкес келмейтш себеп-салдар факторы / Б. Ж. Куатов, А. И. Годунов, Н. К. Юрков // Уральский научный вестник. - 2014. - № 46 (125). - С. 83-88. (Перевод: Куатов, Б. Ж. Причинно-следственные факторы неадекватности применения тренажеров в системе подготовки летного состава / Б. Ж. Куатов, А. И. Годунов, Н. К. Юрков II Уральский научный вестник. - 2014. -№ 46 (125). - С. 83-88).

10. Куатов, Б. Ж. Оценка качества подготовки и обучения летного состава на технических средствах / Б. Ж. Куатов, Н. К. Юрков // Вестник Национального университета обороны. - 2015. -№ 1. - С. 15-24.

12. Куатов, Б. Ж. Системная модель организации тренажной подготовки / Б. Ж. Куатов, А. И. Годунов // Вестник Национального университета обороны. - 2015. -№2.-С. 52-58.

13. Куатов, Б. Ж. Оценка уровня навыков курсантов летных специальностей / Б. Ж. Куатов // Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 3 (7). - С. 94-97.

14. Куатов, Б. Ж. Системный подход к организации тренажерной подготовки летного состава в современных условиях / Б. Ж. Куатов // Надежность и качество сложных систем. - 2014. - № 4 (8). - С. 34^0.

15. Куатов, Б. Ж. Вероятностная оценка степени адекватности имитационного моделирования в тренажеростроении / А. И. Годунов, В. И. Мандриков, Б. Ж. Куатов // Проблемы автоматизации и управления в технических системах - 2015 : тр. XXXI Меж-дунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Изд-во ПТУ, 2015. - С. 29-32.

16. Куатов, Б. Ж. К проблеме структурного синтеза моделирующей среды авиационного тренажера / Б. К. Кемалов, Б. Ж. Куатов, Н. К. Юрков // Надежность и качество : тр. междунар. симп.: в 2 т. - Пенза: ПТУ, 2015. - Т. 1. - С. 103-106.

17. Куатов, Б. Ж. Автоматизированная система планирования тренажерной подготовки курсантов / Б. Ж. Куатов // Актуальные вопросы науки и техники в сфере развития авиации : тр. V Междунар. науч.-практ. конф. - Минск: Военная академия Республики Беларусь, 2015. - С. 309.

18. Куатов, Б. -Ж. Точность моделирования в авиационных тренажерах / Б. Ж Куатов // Актуальные вопросы науки и техники в сфере развития авиации : тр. V Междунар. науч.-пракг. конф. - Минск: Военная академия Республики Беларусь, 2015. - С. 308.

19. Куатов, Б. Ж. Некоторые аспекты летной подготовки курсантов / М. Т. Ботин, Б. Ж Куатов // Актуальные вопросы науки и техники в сфере развития авиации : тр. V Междунар. науч.-практ. конф. - Минск: Военная академия Республики Беларусь, 2015. - С. 287.

20. Куатов, Б. Ж. Модель автоматизированной системы планирования тренажерной подготовки / Б. Ж. Куатов // Военное образование и наука: 70-летию победы в ВОВ : тр. IX науч-метод. конф. - Акгобе: Военный институт СВО, 2015. - С. 310-314.

21. Куатов, Б. Ж. Формирование моделирующей среды авиационного тренажера / Н. К. Юрков, Б. К. Кемалов, Б. Ж. Куатов // Надежность и качество сложных систем. -2015.1 (9).-С. 9-16.

Научное издание

КУАТОВ Бауржан Жолдыбаевич

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕНАЖНОЙ ПОДГОТОВКОЙ КУРСАНТОВ ЛЕТНЫХ СПЕЦИАЛЬНОСТЕЙ

Специальности: 05.13.10 - Управление в социальных и экономических системах; 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях)

Редактор Е. Г. Акимова Технический редактор Н. В. Иванова Компьютерная верстка Н. В. Ивановой

Распоряжение № 17/72-2015 от 24.09.2015. Подписано в печать 24.09.15. Формат 60x84 /¡6. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 742. Тираж 100.

Издательство ПТУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru